振動及噪聲連續測量系統

1 引言

當列車駛過時，輪軌接觸處會產生振動，該振動會通過如圖1 所示的傳播路徑傳播，即通過相鄰的介質 （鋼軌、軌道組件、土地、空氣）向四周傳遞，直至輻射區域。若踏面存在不連續點和異常，如車輪不圓（踏面擦傷、剝落，以及車輪多邊形）、鋼軌波浪狀磨損、鋼軌斷裂、道岔和線路交叉點等，則會激發更強烈的振動。

鋼軌上的不連續點比較容易識別，并且可以通過打磨和更換鋼軌來消除；車輪上的不連續點則較難識別，而且消除這些不連續點通常會花費更大的成本。而車輪上的不連續點（如車輪踏面擦傷）是使噪聲和振動排放超出規定值的主要原因。

2 振動及噪聲連續測量系統

自2017 年起，奧地利維也納線路網絡公司（Wiener Linien）在其地鐵線路網絡中開始使用振動及噪聲連續測量系統，測量列車經過時的振動和噪聲排放值，以檢測軌道和車輪的狀態。該公司還在使用過程中對該系統進行了改進和優化，并以此推導出軌道和車輛維護相關的措施和原則。

該系統可細分為車輛檢測系統和車輪檢測系統2 類。目前，Wiener Linien 地鐵線路網絡中共有5 個此類系統投入使用，其中車輪檢測系統的檢測精度可精確到每個車軸。這2 類系統均由觸發器控制，均可進行連續測量，并對采集到的部分測量數據進行自動評估，相關參數會在系統的Web 界面中實時顯示。

為將各列列車與其產生的振動對應起來，Wiener Linien 公司引入了車輛識別系統。該系統由車載無源射頻識別（RFID）應答器和集成在每個測量點（軌道上）中的有源讀出單元組成，可以在每列列車駛過時識別其信息。

圖1 鐵路振動、噪聲排放及傳播示意圖

2.1 車輛檢測系統

車輛檢測系統用于識別振動和噪聲排放異常的車輛，主要由加速度傳感器、振動速度傳感器和應變計組成。加速度和振動速度傳感器安裝在鋼軌、軌枕、軌道板上；應變計安裝在鋼軌軌底，用于應力分析和速度測量。在露天環境下，該系統除上述傳感器外，還配備用于采集空氣噪聲的麥克風，以及用于檢測降水量、風向、風速、氣溫和氣壓的氣象站；而在隧道中，增設了安裝在隧道壁上的加速度傳感器，用于研究隧道中的振動傳遞特性。

根據先前現場測量研究確定的地面和建筑物特定傳遞函數、建筑物的耦合特性，并結合軌道區域安裝的傳感器的測量結果，可確定軌道附近物體在每次列車駛過時的二次噪聲和振動輻射。

2.2 車輪檢測系統

德國HBM 公司生產的Argos?OOR 測量系統是Wiener Linien 公司采用的車輪檢測系統，用于識別損壞的車輪，其增加了用于采集隧道附近物體二次噪聲和振動輻射的傳感器。

該系統根據車軸型式檢查測量數據的合理性，若檢查結果合理，則將測量值分配給各車輛及各個車輪。原始測量數據的評估直接在測量點完成，然后系統會將評估結果傳輸至服務器。如果測量值多次超過限值，則系統Web 界面會對其進行自動顯示，并為其安排維護措施。

Argos?OOR 系統可檢測出車輪與理論圓之間的偏差，并根據得出的左右滾動圓半徑差Δr 曲線推導出車輪不圓的類型，如車輪多邊形、車輪踏面擦傷或剝落等。該系統還為每種缺陷設定了閾值，若超過閾值，則會在Web 界面彈出相應色彩的提示，由此可為對應的輪對或車輛安排有針對性的維護措施。系統的測量圍繞車輪滾動圓的整個圓周進行，保證對每個車輪進行至少滾動2 周的測量。

該系統還包含用于測量垂向加速度和縱向應變的傳感器，安裝在鋼軌上。從這些傳感器采集的數據中可得出每個車輪對應多個輪周的信息陣列。每一個信息陣列都由多個相互聯系的信息單元組成，而各信息單元由車輪接觸點的周邊信號組成，其中鋼軌的撓曲和加速度被分解為數個評估部分加以考慮。

3 測量結果

振動及噪聲連續測量系統可對所選擇的測量參數進行自動評估和實時描述。通過采集并存儲海量的測量數據（每個測量系統每天約采集200 次列車駛過的數據），目前系統掌握了豐富的統計數據，從這些統計數據中可得出有關軌道及車輪狀況、振動和噪聲的結論。

3.1 車輛檢測系統

對列車振動和噪聲的測量和研究表明，目前Wiener Linien 公司正在使用的2 類列車存在顯著差異。圖2 展示了在某線路旁公寓中測得的、2 類列車以80 km/h 運行速度經過時產生的最高二次噪聲LA，max。由圖可知，列車的噪聲排放水平具有分布不均勻的特點，其原因在于車輛轉向架和輪對的維護狀況，以及列車負載狀況和行駛速度不同。

由于安裝測量系統的線路或測量斷面不同，其軌道組件的減振特性也有所不同，所以在評估各列車的長期振動排放水平時應對此加以考慮。系統的評估基于從各個測量斷面測得并推導出的振動排放趨勢圖，圖中曲線的斜率表示振動排放量隨時間增加的程度，取決于各測量斷面處相應軌道組件的狀態和特性。振動排放量與時間的關系不是線性關系，而是指數關系。因此，對軌道和列車采取有針對性的維護措施（如鋼軌打磨、車輪鏇修），可使振動排放量降低50%以上；但如果延誤維保，則會導致振動排放量指數級地增加。

3.2 車輪檢測系統

圖3 顯示了車輪檢測系統在2020 年3 月最后1 周的評估測量結果，其中包括二次噪聲排放量最高的列車類型、列車通過次數、相關車輛編號、測量時間、車輪不圓度偏差（左右滾動圓半徑差Δr）、最高二次噪聲LA，max及存在不連續點的車輪編號。

由圖3 可知，車輪不圓度偏差與其振動和噪聲排放量密切相關。根據奧地利國家標準，列車的平均二次噪聲排放水平不應超過35 dB。根據本次評估，有6 列列車被標記為橙色（即振動和噪聲排放異常），需要接受輪對鏇修。出于經濟原因，不建議對這6 列列車的全部輪對進行鏇修，所以需要詳細檢查各個車輪的狀況。為此，可以在系統中查詢各個車輪的測量結果圖。圖4 展示了編號為3805 車輛的11 號左輪（11L）和10 號右輪（10R）的測量結果。由圖可知，11L 的不圓狀態非常明顯，而10R 狀況良好。

通過對檢出的車輪進行鏇修，可以消除車輪踏面擦傷、車輪多邊形化以及其他的車輪不圓偏差，從而改善車輛的狀況。

圖2 2 類列車以80 km/h 運行速度經過時產生的最高二次噪聲

圖3 車輪檢測系統評估測量結果

圖4 正常與異常車輪測量結果對比

4 結語

利用安裝的振動及噪聲連續測量系統每天采集并評估約1 000 次列車駛過時的數據，以獲取有關軌道及鐵路車輛狀況的信息，并針對有異常的軌道和車輛采取針對性的維護措施，這樣既可以使維護措施經濟高效、滿足需求，又能夠減少車輛駛過時的噪聲和振動排放，顯著改善軌道和車輛的長期性能。